Die zunehmende Umweltverschmutzung, der Ausstoß von Kohlendioxid und die begrenzten fossilen Brennstoffreserven machen die schrittweise Ersetzung von fossilen Brennstoffen durch nachhaltige und erneuerbare grüne Energiequellen erforderlich. Allerdings haben aktuelle grüne Energiequellen spezifische Anforderungen für ihre Anwendung, wie etwa die ausreichende Sonneneinstrahlung für Solarenergie und ausreichend Wind für Windenergie, ohne negative Auswirkungen auf die Umwelt. Wasserstoffbrennstoffzellen werden ebenfalls allmählich als saubere Energiequelle genutzt. Als Methode zur Stromerzeugung liegt der Schlüssel in Brennstoffzellen in der katalytischen Wirkung auf die Reaktion. In der Natur existiert eine Gruppe von elektrochemisch aktiven Mikroorganismen, die weit verbreitet im Boden und Abwasser vorkommen. Sie wirken als natürliche Katalysatoren in Brennstoffzellen. Obwohl diese mikrobiellen Brennstoffzellen in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte bei der Stromerzeugung gemacht haben, wurde ihre Anwendung aufgrund der Kosten nicht weit verbreitet gefördert.

Beton ist das weltweit am häufigsten verwendete Baumaterial. Sein geringer Rohstoffkosten, hohe Druckfestigkeit und einfacher Herstellungsprozess machen es zu einem attraktiven und leicht anwendbaren Material im Bereich Bauwesen. Wenn mineralische Materialien zur Herstellung von Brennstoffzellen verwendet werden können, würde dies die Herstellungskosten erheblich senken und die Entwicklung von Brennstoffzellen erheblich fördern.

Um mineralische Materialien als Elektroden für Brennstoffzellen verwenden zu können, müssen sie einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweisen. Diese Doktorarbeit basiert auf der Theorie der Perkolation und untersucht zwei Arten von Baumaterialien, Portlandzement und Geopolymer, aus mikrostruktureller Perspektive. Durch den Vergleich ihrer Unterschiede in der Mikrostruktur und der Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit ihrer Mischungen unter trockenen und feuchten Bedingungen wurde festgestellt, dass, wenn der Volumenanteil leitfähiger Füllstoffe seinen Perkolationsschwellenwert überschreitet, die Gesamtelektrische Leitfähigkeit des Verbundmaterials nicht mehr von seinem Wassergehalt abhängt. Mit anderen Worten, der leitfähige Mechanismus in der Mischung erfolgt hauptsächlich in Form von elektronischer Leitung, und die ionische Leitung in der Lösung hat wenig Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit der Mischung. Das Geopolymer ermöglicht aufgrund seiner ausgezeichneten Mikrostruktur direkte elektronische Übergänge leitfähiger Füllstoffe. Daher weisen Graphit-Geopolymer-Verbundstoffe bei gleichem Graphitgehalt eine bessere elektronische Leitfähigkeit als Graphit-Portlandzement-Verbundstoffe auf.

Um den leitfähigen Mechanismus von Geopolymer und Graphitmischung genauer zu untersuchen, wurde die Monte-Carlo-Methode verwendet, um den Perkolationsschwellenwert der Mischung zu simulieren. Das Modell, basierend auf dem HYMOSTRUC3D-Framework, ist ein dreidimensionales Modell, das die Partikelgrößenverteilung berücksichtigt und die räumliche Verteilung und Interaktionen verschiedener Partikel genau beschreiben kann. Durch die Einführung des Konzepts des effektiven Volumenanteils wurde der Einfluss von Poren auf die Mischung eliminiert. Das effektive Mediumsmodell simuliert die Beziehung zwischen der Gesamtelektrischen Leitfähigkeit und dem effektiven Volumenanteil von Graphit, was mit den experimentellen Daten übereinstimmt.

Die mikrostrukturellen Eigenschaften von Geopolymeren ermöglichen es, hochleistungsfähige elektrisch leitfähige Materialien unter Verwendung kostengünstiger Graphitpartikel herzustellen. Die poröse Struktur dieser Mischung bietet auch notwendigen Raum für das Wachstum von Mikroorganismen, was zur Bildung von mehr Biofilm führt. Um die Machbarkeit dieser mineralbasierten Elektrode als Mikrobielle Brennstoffzelle zu überprüfen, wurde eine Einzelstammkultur von Geobacter sulfurreducens verwendet, um eine Zweikammer-Mikrobielle Brennstoffzelle zu züchten. Während der einwöchigen Testphase hatte die Mikrobielle Brennstoffzelle mit der Graphit-Geopolymer-Anode eine Spitzenbetriebsstromdichte von 155,9 A·s/cm², sogar höher als die Betriebsstromdichte von 144,5 A·s/cm² mit Graphit als Elektrode.

Diese Forschung untersuchte auch die Machbarkeit der groß angelegten Anwendung von Mikrobiellen Brennstoffzellen unter Verwendung der mineralbasierten Elektrode. Die Studie ergab, dass die mineralbasierte Elektrode verwendet werden kann, um eine grüne LED-Leuchte mit Strom zu versorgen. Durch das Verbinden von 224 bodenbasierten Mikrobiellen Brennstoffzellen in Serie und Parallel und die Erstellung einer Steuerplatine zur Energieerfassung war es möglich, ein Beleuchtungssystem in einem Fahrradschuppen mit Strom zu versorgen. Die Doktorarbeit zeigt die Machbarkeit der Verwendung von mineralbasierten Materialien als Elektroden in Mikrobiellen Brennstoffzellen auf und erläutert den leitfähigen Mechanismus im Verbundmaterial. Aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit kann das mineralbasierte Material auch in anderen Arten von Brennstoffzellen und sogar wiederaufladbaren Batterien verwendet werden.